WO2016083104A1 - Verfahren zum abschalten eines brennstoffzellenstapels sowie brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zum abschalten eines brennstoffzellenstapels sowie brennstoffzellensystem Download PDF

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cathode
fuel cell
oxygen
chambers
compartments
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Torsten Schwarz
Johannes Müller
Matthew Kenneth Hortop
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Volkswagen Ag
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for switching off the fuel cell system with a fuel cell stack and a set up for carrying out the method
  • Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged electrode (anode and cathode).
  • MEA membrane electrode assembly
  • GDL gas diffusion layers
  • bipolar plates also called flow field plates
  • the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
  • the fuel cell is formed by a large number of stacked (MEA) MEAs whose electrical powers are added together.
  • the fuel in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is introduced via
  • electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with release of electrons.
  • the electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line.
  • the cathode is supplied via a cathode-side open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example, air), so that a reduction of 0 2 to O 2 " under
  • the anode supply includes an anode supply path for supplying an anode operating gas into the anode compartments and an anode exhaust path for discharging an anode exhaust gas from the anode compartments. Likewise includes the
  • Kathoden simplysgases in the cathode chambers and a cathode exhaust gas path for discharging a cathode exhaust gas from the cathode chambers of the fuel cell stack.
  • a known strategy for removing oxygen from the cathode compartments is to flood them after switching on the air supply via a purge line with fuel, in particular hydrogen, which on the one hand displaces the air and on the other hand reacts with remaining residual oxygen and thus binds it chemically.
  • fuel in particular hydrogen
  • hydrogen and oxygen must be brought together on the catalytic material of the cathode.
  • the disadvantage is that the reaction of hydrogen with oxygen in the
  • Fuel cell system in which after stopping the electric power extraction from the fuel cell on the anode and / or cathode side, a negative pressure is applied to dry the fuel cell, and then fill the anode and / or cathode side with fuel to prevent oxygen from entering during standstill.
  • Brake booster used, which is on the suction side with a vacuum line in communication, which connects the cathode and anode exhaust gas lines together.
  • DE 10 201 1 1 19 665 A1 describes a fuel cell system in which a gas jet pump operating on the venturi principle is arranged in the cathode waste gas line, the pressure inlet side of which is acted upon by the cathode exhaust air and the suction side thereof is connected to a discharge pressure line connected to the anode exhaust gas line. If the system is to be prepared for a restart of the fuel cell, by means of the gas jet pump, a negative pressure in the anode chambers is generated to remove water from them. The water is via the discharge pressure line and the gas jet pump the
  • shutdown strategies are known in which consumption of oxygen takes place via the fuel cell reaction, that is, protons passing across the membrane.
  • DE 102012018875 A1 discloses a fuel cell system in which at least one passive valve device is arranged in the supply air line and / or the exhaust air line, which automatically opens and closes depending on the air flow.
  • This valve device serves to shut off the cathode space of the fuel cell from the environment whenever the fuel cell system is not in operation. This is intended to prevent the subsequent flow of oxygen into the cathode space, for example by wind effects, convection effects or the like. In this way, a possible oxygen-free state, which is generated when stopping the fuel cell system by consumption of residual oxygen in the fuel cell, as long as possible to be preserved.
  • DE 10 2007 059 999 A1 discloses a method for switching off a fuel cell stack, wherein at first a primary electrical load, which with that of the
  • Fuel cell stack generated electricity is separated from the fuel cell stack. Then, the air flow is suppressed in the cathode side and maintained at the anode side, a hydrogen overpressure.
  • the fuel cell stack is short-circuited and allowed to consume oxygen in the cathode side by hydrogen from the anode side. Subsequently, inlet and outlet valves of the anode and the cathode side are closed, whereby the shutdown is completed.
  • a disadvantage of the above method is that when switching off the fuel cell stack, the oxygen is consumed only in the active region of the individual cells, but not in the supply areas of the cells and in the piping systems of the cathode gas supply. Therefore, after switching off the system again oxygen diffuses into the cells. The duration of protection during the shutdown period is thus comparatively low.
  • the invention is based on the object, a method for switching off a
  • the method according to the invention is directed to a fuel cell system comprising a fuel cell stack comprising cathode compartments and anode compartments, and a cathode supply comprising a cathode supply path for supplying an oxygen-containing cathode operating gas into the cathode compartments, one in the
  • Kathoden Inhibituentspfad arranged compressor and a cathode exhaust gas path for discharging a cathode exhaust gas from the cathode compartments.
  • Method for switching off such a fuel cell system comprises the steps:
  • Cathode compartments present cathode operating gas
  • Kathoden In this way, the duration until oxygen-containing gas diffuses into the cathode spaces of the stack, that is, that generated by the
  • Inertgasatmospreheat granted extended protection period By preventing intrusion from oxygen into the cathode compartments during shutdown of the system, the diffusion of oxygen across the polymer electrolyte membrane into the anode compartments of the stack
  • the fuel cell stack is protected from a harmful air-air start, in which oxygen is present on both the anode side and the cathode side of the stack.
  • the expansion of the oxygen depleted gas mixture also reduces any residual concentration of oxygen in the mixture.
  • the fuel cell system has a cathode supply path
  • the adjusting means can be designed in the form of valves or flaps, wherein both valves and flaps can be designed adjustable. Because in many
  • Fuel cell systems such adjusting means are present anyway, the adjusting means do not increase the system complexity.
  • step (a) comprises separating the cathode spaces from the environment. This can in particular by a
  • the cathode compartments By thus separating the cathode compartments from the environment, the operating pressure in the cathode compartments present during normal operation of the fuel cell system is maintained. Typically, the pressure in the cathode compartments during operation of the fuel cell stack is 1, 5 to 2.5 bar (absolute pressure). This pressure level is initially conserved by separating the cathode compartments from the environment so that at this pressure level the oxygen content is reduced by off-reaction.
  • step (a) comprises the sub-steps:
  • the cathode gas supply comprises a so-called wastegate line, which downstream of the compressor of the
  • Branched cathode supply path and in the cathode exhaust gas path opens.
  • the wastegate line is open during the current compressor in step (a1). In this way, the compressor ensures the admission of the
  • Pressure cathode chambers and promotes the compressed cathode gas via the wastegate line in the exhaust path.
  • the pressure in the cathode chambers is maintained, but without causing a flow through the cathode chambers with cathode operating gas.
  • the oxygen depletion of the cathode operating gas present in the cathode chambers during step (a) is preferably carried out by reaction of oxygen with fuel, in particular to produce water.
  • fuel in particular to produce water.
  • This is particularly preferably carried out with the fuel present in the anode chambers, in particular hydrogen, which is decomposed catalytically there into protons H + , which then diffuse via the polymer electrolyte membrane into the cathode chambers and react there with the oxygen to form water.
  • This is therefore the normal fuel cell reaction.
  • Fuel cell supply is initially maintained in the anode compartments or by the fuel-filled anode compartments are separated from the environment.
  • the oxygen depletion takes place by direct introduction of fuel into the cathode chambers of the fuel cell stack.
  • the supplied fuel can the
  • Fuel tank are removed from the anode supply or the anode exhaust gas, which usually contains unreacted fuel.
  • Step (a) is preferably maintained until a desired one
  • Sauerstoffendkonzentration is reached in the cathode compartments. For this purpose, a predetermined duration can be determined and awaited. Alternatively, the
  • Oxygen concentration in the cathode gas can be determined, for example, by means of an oxygen-sensitive gas sensor or indirectly via the detection of the cell voltage.
  • the step (a) is terminated when the predetermined duration has expired or the
  • step (a) After completion of step (a), that is, after achieving a desired
  • Cathode spaces present gas in the cathode supply path and / or the
  • Cathode exhaust path preferably in both paths.
  • the expansion can be carried out in a simple manner by opening the first actuating means arranged in the cathode supply path and / or the second actuating means arranged in the cathode exhaust path. This ensures rapid expansion.
  • Kathoden brieflysgases done by leakage-induced flows, ie in passive
  • the opening of the adjusting means for expanding the cathode gas for a predetermined period of time which is in the range of 0.5 to 30 seconds, in particular from 0.5 to 5 seconds.
  • the duration of the expansion will depend on the volumes of the
  • Fuel cell stack and the piping system intended to be flooded with the oxygen-poor cathode gas. are in the cathode exhaust path and / or the
  • the duration is preferably dimensioned so that the oxygen-poor cathode gas flooded to the (the) adjusting means (s).
  • the expansion takes place until a desired pressure is reached in the system, which can reach to the achievement of the ambient pressure.
  • the final pressure is in the range of
  • Ambient pressure up to a slight overpressure, in particular from ambient pressure to 0.5 bar overpressure, particularly preferably in the range of ambient pressure to 0.2 bar overpressure.
  • step (c) After expansion of the cathode gas, in step (c), the separation of the cathode compartments from the environment occurs to prevent back diffusion of oxygen via the supply lines.
  • the separation of the cathode spaces from the environment in step (c) is accomplished by closing the first and / or second actuating means in the environment
  • Cathode supply path or cathode exhaust path In this way, a good separation effect and low back diffusion of oxygen into the cathode chambers is achieved.
  • other components in the cathode exhaust path or Cathode supply path which achieve a certain barrier effect, can be dispensed with separate actuating means.
  • the compressor ensures sufficient tightness in the cathode supply path at a standstill.
  • the second blocking means in the cathode supply path can be dispensed with.
  • a turbine is arranged in the cathode exhaust gas path which has a certain blocking effect, a separate adjusting means can also be dispensed with here.
  • the fuel cell stack is separated from an electrical load, in particular an electrical consumer operated with the generated energy of the fuel cell stack.
  • the invention further relates to a fuel cell system comprising a
  • Fuel cell stack having anode chambers and cathode compartments, as well as a
  • Cathode supply path arranged compressor and a cathode exhaust gas path to
  • the fuel cell system is set up to carry out the method according to the invention for switching off the fuel cell system.
  • the fuel cell system preferably comprises a
  • Controller having a corresponding program algorithm for carrying out the method.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a fuel cell system according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a flowchart of a method for switching off the
  • FIG. 4 shows a flowchart of a method for switching off the
  • FIG. 1 shows a fuel cell system, generally designated 100, according to a first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 100 comprises as a core component a fuel cell stack 10.
  • the fuel cell stack 10 has a plurality of stacked individual cells 1 1, each of which has a respective
  • Cathode space 12 and an anode compartment 13 which are separated by an ion-conductive polymer electrolyte membrane 14 from each other (see detail).
  • the cathode and anode chambers 12, 13 each comprise a catalytic electrode, the anode or the cathode, which catalyzes the respective partial reaction of the fuel cell conversion (not shown).
  • a bipolar plate is further arranged in each case (also not shown), which feeds the
  • the fuel cell stack 10 has an anode input 15 and an anode output 16, which are connected to an anode supply, not shown in total.
  • the anode supply comprises an anode supply path, which has a
  • Fuel storage with the anode inlet 15 connects and the supply of a
  • Anode operating gas for example hydrogen, is used in the anode chambers 13.
  • Anode supply further includes an anode exhaust path connected to the anode exit 16 of the stack 10 and the anode exhaust gas from the anode compartments 13 of the anode
  • Fuel cell stack 10 dissipates and usually at least partially over a
  • Recirculation line again introduces into the anode exhaust gas path.
  • the fuel cell system 100 In order to supply the fuel cell stack 10 with an oxygen-containing cathode operating gas, in particular air, the fuel cell system 100 also has a
  • the cathode supply 20 comprises a cathode supply path 21, which via a cathode input 17 to the cathode chambers 12 of the fuel cell stack 10 the
  • Cathode operating gas is disposed in the cathode supply path 21, a compressor 23, which is preferably operated by an electric motor. Upstream of the compressor 23, a filter 24 is arranged which retains particulate matter (dust).
  • a cathode exhaust path 22 of the cathode supply 20 discharges the cathode exhaust gas (exhaust air) from the cathode compartments 12 via a cathode outlet 18 of the fuel cell stack 10 and supplies it to an optional exhaust system 25, which for example has a
  • the compressor 23 may be assisted by a turbine 26 disposed in the cathode exhaust path 22 and connected to the compressor 23 via a shaft, not shown.
  • a wastegate line 27 branching from the cathode supply path 21 connects the cathode supply path 21 to the cathode exhaust path 22.
  • the wastegate line 27 serves to bypass the fuel cell stack 10 when the compressed cathode operating gas is not needed in low load phases in the fuel cell stack 10, but the compressor 23 is should not be shut down.
  • an adjusting means 28 may be arranged in the wastegate conduit 27, which is designed for example as a flap or control valve. By adjusting means 28, a waste stream 27 flowing through the mass flow is regulated.
  • the power of the fuel cell stack 10 can be regulated at constant compressor power via the actuating means 28.
  • the cathode supply 20 further includes a humidifier 29 which serves to humidify the cathode operating gas to provide the necessary moisture to the polymer electrolyte membrane 14.
  • the humidifier 29 is preferably one
  • Membrane humidifier which is the to be humidified cathode operating gas through a
  • the cathode exhaust gas of the fuel cell stack 10 is used as humid gas, which due to the product water of the fuel cell reaction a
  • the system shown in FIG. 1 further comprises a first actuating means 30 arranged in the cathode supply path 21 and a second arranged in the cathode exhaust gas path 22 Adjustment means 31.
  • the first actuating means 30 is arranged downstream of the humidifier 29 and upstream of the cathode inlet 17 of the fuel cell stack 10, while the second actuating means 31 is positioned behind the cathode outlet 18 and upstream of the humidifier 29.
  • the cathode supply 20 may have a heat exchanger which serves to preheat the air compressed by the compressor 23.
  • the heat exchanger is usually by from the
  • the heat exchanger can be both the cathode supply path 21 and the
  • Cathode exhaust paths 22 are bypassed by a corresponding bypass line. There may also be provided a turbine bypass line from the cathode exhaust path 22 which bypasses the turbine 26. In addition, systems without turbine 26 are known. Further, in the cathode exhaust path 22, a water separator may be installed to the from the
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention according to the present invention.
  • Matching elements are denoted by the same reference numerals as in FIG. 1 and will not be explained again.
  • the system shown in Figure 2 differs from that of Figure 1 in the position of the adjusting means 30 and 31st
  • the first adjusting means 30 is arranged between the compressor 23 and the humidifier 29 and the second adjusting means 31 between the humidifier 29 and the turbine 26.
  • the two adjusting means 30 and 31 between the Wastgate line 27 and the humidifier 29 are positioned.
  • the installation locations of the adjusting means 30, 31 according to FIG. 1 and according to FIG. 2 can also be combined with one another.
  • the first actuator 30 may be located downstream of the humidifier 29 and upstream of the cathode inlet 17, while the second actuator 31 may be positioned downstream of the humidifier 29 and upstream of the wastegate conduit 27.
  • Cathode supply path 21 may be provided downstream of the compressor 23 and upstream of the humidifier 29 and that of the second actuator 31 in the cathode exhaust path 22 downstream of the cathode outlet 18 and upstream of the humidifier 29th Furthermore, the arrangement of the first and / or second actuating means 30, 31 can be dispensed with if in the cathode supply or exhaust gas line 21
  • the first actuating means 30 can be omitted. If the turbine 26 has a sufficient blocking effect, the second actuating means 31 can be dispensed with.
  • Anode operating gas in particular hydrogen, supplied to the fuel cell stack 10 via the anode supply, not shown.
  • the cathode operating gas in particular air, is sucked, compressed and supplied to the fuel cell stack 10 via the cathode supply 20 by the operation of the compressor 23.
  • Fuel cell stack 10 a method according to the present invention is applied, which is explained in embodiments with reference to the following Figures 3 and 4.
  • step S 1 (during a normal operation of the fuel cell system 100) the presence of a switch-off condition of the fuel cell stack 10 is established.
  • step S2 the separation of the fuel cell stack 10 from an electrical load, that is, from an electrical load, which is operated by the generated electrical energy of the stack 10.
  • step S3 the second actuating means 31 arranged in the cathode exhaust gas line 22 is closed.
  • the first actuating means 30 remains in the
  • Cathode supply path 21 is opened and the Wastgate-adjusting means 28 is or remains open.
  • the compressor 23 continues to operate and delivers the compressed
  • Fuel cell stack 10 maintained without a flow through the
  • Cathode compartments 12 takes place. From this point on, consumption of oxygen therefore takes place in the cathode operating gas present in the cathode chambers 12, since the latter continues to react via the fuel cell reaction, that is to say via reactions with the protons diffusing out of the anode chambers 13 via the membrane 14. Since there is no flow through fresh cathode operating gas into the cathode compartments 12, the concentration of oxygen begins to decrease. In the next step S4, the adjusting means 30 in the cathode supply path 21 is also closed. Now the cathode chambers 12 of the fuel cell stack 10 of the
  • step S5 the compressor 23 is turned off.
  • the pressure level in the cathode exhaust path 22 falls downstream of the actuating means 31 and in the Wastgate line 27 to ambient pressure.
  • the cathode chambers 12 remain at a high pressure level.
  • a check is made as to whether a desired low oxygen level in the cathode chambers 12 has been reached. For example, the elapse of a predetermined time since closing of the actuator 31 in step S3 may be checked by means of a corresponding time counter. Alternatively, the residual oxygen concentration in the cathode compartments 12 is measured by means of a suitable gas sensor. Most preferably, however, the cell voltage of the fuel cell stack 10 is monitored and compared to a lower threshold. If in step S6 too high
  • step S6 Determined oxygen concentration, for example, by the detected cell voltage is still above the threshold, the process goes back to after a delay again to reach query S6. If, in contrast, a sufficiently low oxygen concentration in the cathode compartments 12 is determined in step S6, the method proceeds to step S7.
  • step S7 the first and second adjusting means 30 and 31 are opened in a controlled manner.
  • the oxygen-poor cathode gas flows through the cathode supply path 21 and the cathode exhaust path 22 toward the humidifier 29 or, in the case of Figure 2, through the humidifier 29.
  • the expansion of the oxygen-poor cathode gas lowers the oxygen concentration per unit volume.
  • an expansion of the inertized gas volume takes place via the flooding of the conduit system of the cathode supply 20.
  • the adjusting means 30, 31 preferably remain open until the oxygen-depleted gas has flowed at least up to the installation position of the adjusting means 30, 31.
  • the duration of the opening of the adjusting means 30 and 31 can be monitored by detecting the pressure present in the cathode chambers 12, wherein a final pressure can be set, which is between the initial pressure and ambient pressure, preferably at a slight overpressure.
  • step S8 the adjusting means 30 and 31 are closed again.
  • the cathode chambers 12 of the fuel cell stack 10 are again from the environment separated, wherein the present in the cathode chambers 12 low pressure level, for example, ambient pressure or low pressure is conserved.
  • the shutdown process is completed.
  • Fuel cell system is shown in FIG. Steps S1 to S3 are identical to those in FIG.
  • step S1 The process starts as well as that shown in FIG. 3 in step S1 with the determination of a shutoff condition and then proceeds to step S2 to disconnect the electrical load from the fuel cell stack 10.
  • step S3 the actuating means 31 arranged in the cathode exhaust gas path 22 is then closed, while the compressor 23 is compressed
  • Supply gas further promotes the open Wastgate line 27 and at the same time maintains the pressure in the cathode chambers 12, but without flowing through them.
  • Adjustment means 31 is maintained until a desired low oxygen level in the cathode chambers 12 is reached. This is checked in step S4 with one of the methods explained in connection with step S6 of FIG. If it is determined in S4 that a sufficiently low oxygen concentration in the cathode spaces 12 of the fuel cell stack 10 has not been reached, the method returns via a delay stage in order to run through the query S4 again. If, in contrast, a sufficiently low oxygen concentration is detected in S4, for example reaching or falling below a lower threshold value for the cell voltage, the method proceeds to step S5.
  • step S5 the compressor 23 is turned off. As a result, a small portion of the oxygen-poor gas from the cathode chambers 12 flows back toward the actuator 30 and the compressor 23. Thus, an expansion of the oxygen-poor gas via the cathode supply path 21 takes place.
  • step S6 the adjusting means 30 in the cathode supply path 21st

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (100) mit - einem Brennstoffzellenstapel (10), der Anodenräume (13) und Kathodenräume (12) aufweist, und - und einer Kathodenversorgung (20) mit einem Kathodenversorgungspfad (21) zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume (12), einen in dem Kathodenversorgungspfad (21) angeordneten Verdichter (23) und einem Kathodenabgaspfad (22) zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen (12). Das Verfahren umfasst die Schritte: (a) Halten der Kathodenräume (12) unter Überdruck unter Unterbindung einer Durchströmung der Kathodenräume (12) mit Kathodenbetriebsgas unter Sauerstoffverarmung des in den Kathodenräumen (12) vorliegenden Kathodenbetriebsgases; (b) Expandieren des in den Kathodenräumen (12) vorliegenden und sauerstoffverarmten Kathodenbetriebsgases über den Kathodenversorgungspfad (31) und/oder den Kathodenabgaspfad (22), und (c) Trennen der Kathodenräume (12) von der Umgebung.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenstapels
sowie Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel sowie ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes
Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Zwischen den einzelnen Membran- Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (Stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren.
Im Betrieb einer Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein
anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine
elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von 02 zu O2" unter
Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine
Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume und einen Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen. Desgleichen umfasst die
Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines
Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels.
Nach einem Abschalten eines Brennstoffzellenstapels kommt es zu einem Eindringen von Luftsauerstoff in die Anodenräume des Stapels, der bei einem Wiederstart des Systems, dem sogenannten Luft- Luft-Start, aufgrund der entstehenden hohen elektrischen Potentiale zur einer erheblichen Alterung der Brennstoffzelle infolge Kohlenstoffkorrosion sowie Oxidbildung des katalytischen Materials der Elektroden führt. Um diese Effekte zu verhindern, wird der Stapel beim Herunterfahren möglichst ohne Sauerstoff in den Kathodenräumen abgestellt, sodass sich nach kurzer Zeit infolge von Diffusionsprozessen sowohl auf Anoden- als auch auf
Kathodenseite ein Gasgemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf einstellt, das den Stapel bei seinem Wiederstart schützt. Im Stand diffundiert Sauerstoff in den Stapel und reagiert mit dem vorhandenen Wasserstoff katalytisch unter Verbrauch desselben ab.
Eine bekannte Strategie zum Entfernen von Sauerstoff aus den Kathodenräumen sieht vor, diese nach dem Anschalten der Luftzufuhr über eine Spülleitung mit Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zu fluten, der einerseits die Luft verdrängt und andererseits mit noch vorhandenem Restsauerstoff reagiert und diesen somit chemisch bindet. Für diese Umsetzung müssen Wasserstoff und Sauerstoff an dem katalytischen Material der Kathode zusammengebracht werden. Nachteilig ist, dass die Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff in den
Kathodenräumen teilweise diffusionskontrolliert und somit relativ langsam abläuft. Ferner erfordert die Umsetzung des Sauerstoffs eine stöchiometrische Menge Wasserstoff und erhöht somit den Gesamtverbrauch an Wasserstoff.
DE 10 2012 023 799 A1 beschreibt ein Verfahren zum Abschalten eines
Brennstoffzellensystems, bei dem nach dem Abstellen der elektrischen Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle auf der Anoden- und/oder Kathodenseite ein Unterdruck angelegt wird, um die Brennstoffzelle zu trocknen, und anschließend die Anoden- und/oder Kathodenseite mit Brennstoff gefüllt wird, um ein Eindringen von Sauerstoff während des Stillstands zu vermeiden. Zur Erzeugung des Unterdrucks auf Kathodenseite wird eine Unterdruckpumpe eines
Bremskraftverstärkers eingesetzt, die saugseitig mit einer Unterdruckleitung in Verbindung steht, welche die Kathoden- und Anodenabgasleitungen miteinander verbindet.
In DE 10 201 1 1 19 665 A1 wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem in der Kathodenabgasleitung eine nach dem Venturi-Prinzip funktionierende Gasstrahlpumpe angeordnet ist, deren Druckeingangsseite mit der Kathodenabluft beaufschlagt wird und deren Saugseite an eine an die Anodenabgasleitung angebundene Ablassdruckleitung angeschlossen ist. Soll das System auf einen Wiederstart der Brennstoffzelle vorbereitet werden, wird mittels der Gasstrahlpumpe ein Unterdruck in den Anodenräumen erzeugt, um Wasser aus diesen zu entfernen. Das Wasser wird über die Ablassdruckleitung und die Gasstrahlpumpe dem
Kathodenabgas (Abluft) zugeführt.
Weiterhin sind Abschaltstrategien bekannt, bei denen Verbrauch von Sauerstoff über die Brennstoffzellenreaktion erfolgt, das heißt über die Membran passierende Protonen.
DE 102012018875 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem in der Zuluftleitung und/oder der Abluftleitung wenigstens eine passive Ventileinrichtung angeordnet ist, welche sich in Abhängigkeit der Luftströmung selbsttätig öffnet und schließt. Diese Ventileinrichtung dient dazu, den Kathodenraum der Brennstoffzelle immer dann gegenüber der Umgebung abzusperren, wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist. Damit soll das Nachströmen von Sauerstoff in den Kathodenraum beispielsweise durch Windeffekte, Konvektionseffekte oder dergleichen verhindert werden. Auf diese Weise soll ein möglichst sauerstofffreier Zustand, der beim Abstellen des Brennstoffzellensystems durch Verbrauch von Restsauerstoff in der Brennstoffzelle erzeugt wird, möglichst lange erhalten bleiben.
DE 10 2007 059 999 A1 offenbart ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenstapels, wobei zunächst ein primärer elektrischer Verbraucher, der mit der von dem
Brennstoffzellenstapel erzeugten Elektrizität versorgt wird, von dem Brennstoffzellenstapel getrennt wird. Sodann wird die Luftströmung in die Kathodenseite unterbunden und an der Anodenseite ein Wasserstoffüberdruck aufrechterhalten. Der Brennstoffzellenstapel wird kurzgeschlossen und es wird ein Verbrauchen von Sauerstoff in der Kathodenseite durch Wasserstoff von der Anodenseite zugelassen. Nachfolgend werden Ein- und Auslassventile der Anoden- und der Kathodenseite geschlossen, womit das Abschaltverfahren beendet ist. Nachteilig an den vorstehenden Verfahren ist, dass beim Abschalten der Brennstoffzellenstapel der Sauerstoff nur im aktiven Bereich der Einzelzellen verbraucht wird, nicht jedoch in den Versorgungsbereichen der Zellen und in den Leitungssystemen der Kathodengasversorgung. Daher diffundiert nach dem Abschalten des Systems wieder Sauerstoff in die Zellen. Die Schutzdauer während der Abstelldauer ist somit vergleichsweise gering.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abschalten eines
Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen, bei dem die Schutzdauer durch ein sauerstoffarmes Gasgemisch nach dem Abschalten verlängert ist. Das Verfahren sollte mit geringem Aufwand durchführbar sein.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems sowie ein zum Ausführen des Verfahrens geeignetes Brennstoffzellensystem mit den
Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren richtet sich an ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel umfasst, der Kathodenräume und Anodenräume aufweist, sowie eine Kathodenversorgung, umfassend einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume, einen in dem
Kathodenversorgungspfad angeordneten Verdichter sowie einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen. Das erfindungsgemäße
Verfahren zum Abschalten eines solchen Brennstoffzellensystems umfasst die Schritte:
(a) Halten der Kathodenräume unter Überdruck und Unterbindung einer Durchströmung der Kathodenräume mit Kathodenbetriebsgas unter Sauerstoffverarmung des in den
Kathodenräumen vorliegenden Kathodenbetriebsgases;
(b) Expandieren des in den Kathodenräumen vorliegenden und sauerstoffverarmten
Kathodenbetriebsgases über den Kathodenversorgungspfad und/oder den
Kathodenabgaspfad, und
(c) Trennen der Kathodenräume von der Umgebung.
Insbesondere durch den erfindungsgemäßen Schritt des Expandierens des sauerstoffverarmten Kathodenbetriebsgases erfolgt eine Volumenausdehnung desselben innerhalb des
Kathodenversorgungspfads in Richtung eines Lufteinlasses und/oder des Kathodenabgaspfads in Richtung eines Abgasauslasses. Auf diese Weise wird die Dauer, bis sauerstoffhaltiges Gas in die Kathodenräume des Stapels diffundiert, das heißt die durch die erzeugte
Inertgasatmosphäre gewährte Schutzdauer verlängert. Durch das Verhindern des Eindringens von Sauerstoff in die Kathodenräume während des Abstellens des Systems wird die Diffusion von Sauerstoff über die Polymerelektrolytmembran in die Anodenräume des Stapels
unterbunden. Somit ist auch nach vergleichsweise langen Abschaltdauern des Systems der Brennstoffzellenstapel vor einem schädlichen Luft-Luft-Start, bei dem sowohl an Anodenseite als auch an Kathodenseite des Stapels Sauerstoff vorliegt, geschützt. Durch die Expansion des sauerstoffverarmten Gasgemischs wird zudem eine eventuell enthaltene Restkonzentration von Sauerstoff im Gemisch verringert.
Im Ergebnis werden die Standzeit des Brennstoffzellensystems und die Lebensdauer des Systems verlängert.
Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem ein im Kathodenversorgungspfad
angeordnetes erstes Stellmittel und/oder ein im Kathodenabgaspfad angeordnetes zweites Stellmittel auf. Die Stellmittel können in Form von Ventilen oder Klappen ausgestaltet sein, wobei sowohl Ventile als auch Klappen regelbar ausgebildet sein können. Da in vielen
Brennstoffzellensystemen derartige Stellmittel ohnehin vorhanden sind, erhöhen die Stellmittel die Systemkomplexität nicht.
Schritt (a)
In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der Schritt (a) das Trennen der Kathodenräume von der Umgebung. Dieses kann insbesondere durch ein
Schließen des ersten und/oder zweiten Stellmittels im Kathodenversorgungspfad
beziehungsweise Kathodenabgaspfad erfolgen. Durch ein solches Trennen der Kathodenräume von der Umgebung wird der Betriebsdruck in den Kathodenräumen, der beim Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems vorliegt, aufrechterhalten. Typischerweise beträgt der Druck in den Kathodenräumen bei Betrieb des Brennstoffzellenstapels 1 ,5 bis 2,5 bar (Absolutdruck). Dieses Druckniveau wird zunächst durch Trennen der Kathodenräume von der Umgebung konserviert, sodass bei diesem Druckniveau der Sauerstoffanteil durch Abreagieren verringert wird.
In bevorzugter Ausführung umfasst der Schritt (a) die Unterschritte:
(a1 ) Schließen des in dem Kathodenabgaspfad angeordneten ersten Stellmittels bei
laufendem Verdichter und anschließend
(a2) Schließen des in dem Kathodenversorgungspfad angeordneten zweiten Stellmittels. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die Kathodengasversorgung eine sogenannte Wastegate- Leitung umfasst, welche stromab des Verdichters von dem
Kathodenversorgungspfad abzweigt und in den Kathodenabgaspfad (stromab des ersten Stellmittels) mündet. Dabei ist die Wastegate- Leitung während des laufenden Verdichters in Schritt (a1 ) geöffnet. Auf diese Weise sorgt der Verdichter für die Beaufschlagung der
Kathodenräume mit Druck und fördert das komprimierte Kathodengas über die Wastegate- Leitung in den Abgaspfad. Somit wird der Überdruck in den Kathodenräumen aufrechterhalten, ohne jedoch eine Durchströmung der Kathodenräume mit Kathodenbetriebsgas zu bewirken.
Die während des Schritts (a) erfolgende Sauerstoffverarmung des in den Kathodenräumen vorliegenden Kathodenbetriebsgases erfolgt vorzugsweise durch Reaktion von Sauerstoff mit Brennstoff, insbesondere unter Erzeugung von Wasser. Besonders bevorzugt erfolgt dies mit dem in den Anodenräumen vorliegenden Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, der dort katalytisch in Protonen H+ zersetzt wird, welche dann über die Polymerelektrolytmembran in die Kathodenräume diffundieren und dort mit dem Sauerstoff zu Wasser reagieren. Dabei handelt es sich somit um die normale Brennstoffzellenreaktion. Zu diesem Zweck ist es von Vorteil, während des Schritts (a) eine Brennstoffatmosphäre in den Anodenräumen des
Brennstoffzellenstapels aufrechtzuerhalten. Dies kann dadurch erfolgen, dass die
Brennstoffzellenzufuhr in die Anodenräume zunächst noch aufrechterhalten wird oder indem die mit Brennstoff gefüllten Anodenräume von der Umgebung getrennt werden. In alternativer Ausgestaltung erfolgt die Sauerstoffverarmung durch direkte Einleitung von Brennstoff in die Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels. Der zugeführte Brennstoff kann dem
Brennstofftank der Anodenversorgung entnommen werden oder dem Anodenabgas, welches üblicherweise nicht umgesetzten Brennstoff enthält.
Der Schritt (a) wird vorzugsweise solange aufrechterhalten, bis eine gewünschte
Sauerstoffendkonzentration in den Kathodenräumen erreicht ist. Zu diesem Zweck kann eine vorbestimmte Dauer bestimmt und abgewartet werden. Alternativ kann die
Sauerstoffkonzentration im Kathodengas ermittelt werden beispielsweise mithilfe eines sauerstoffempfindlichen Gassensors oder indirekt über die Erfassung der Zellspannung. Der Schritt (a) wird beendet, wenn die vorbestimmte Dauer abgelaufen ist oder die
Sauerstoffminimalkonzentration oder eine untere Grenze der Zellspannung erreicht ist. Schritt (b)
Nach Beendigung des Schritts (a), das heißt nach Erzielung einer gewünschten
Sauerstoffverarmung in den Kathodenräumen, erfolgt die Expansion des in den
Kathodenräumen vorliegenden Gases in den Kathodenversorgungspfad und/oder den
Kathodenabgaspfad, vorzugsweise in beide Pfade. Die Expansion kann in einfacher Weise durch Öffnung des in dem Kathodenversorgungspfad angeordneten ersten Stellmittels und/oder des in dem Kathodenabgaspfad angeordneten zweiten Stellmittels erfolgen. Auf diese Weise ist eine schnelle Expansion gewährleistet.
In alternativer Ausgestaltung kann das Expandieren des sauerstoffverarmtem
Kathodenbetriebsgases durch leckagebedingte Strömungen erfolgen, also in passiver
Vorgehensweise. Vorteil dieser Variante ist, dass keine aktiven Schritte und keine konstruktiven Maßnahmen notwendig sind.
Typischerweise erfolgt das Öffnen der Stellmittel zur Expansion des Kathodengases für eine vorbestimmte Zeitdauer, die im Bereich von 0,5 bis 30 Sekunden, insbesondere von 0,5 bis 5 Sekunden liegt. Die Dauer der Expansion wird in Abhängigkeit von den Volumina des
Brennstoffzellenstapels und des Leitungssystems bestimmt, die mit dem sauerstoffarmen Kathodengas geflutet werden sollen. Sind in dem Kathodenabgaspfad und/oder dem
Kathodenversorgungspfad Stellmittel vorhanden, wird die Dauer vorzugsweise so bemessen, dass das sauerstoffarme Kathodengas bis zu dem (den) Stellmittel(n) flutet. Alternativ erfolgt die Expansion so lange, bis ein gewünschter Druck im System erreicht wird, der bis zur Erzielung des Umgebungsdrucks reichen kann. Vorzugsweise liegt der Enddruck im Bereich von
Umgebungsdruck bis zu einem leichten Überdruck, insbesondere von Umgebungsdruck bis 0,5 bar Überdruck, besonders bevorzugt im Bereich von Umgebungsdruck bis 0,2 bar Überdruck.
Schritt (c)
Nach der Expansion des Kathodengases erfolgt in Schritt (c) das Trennen der Kathodenräume von der Umgebung, um eine Rückdiffusion von Sauerstoff über die Versorgungsleitungen zu verhindern. Vorzugsweise erfolgt das Trennen der Kathodenräume von der Umgebung in Schritt (c) durch Schließen des ersten und/oder zweiten Stellmittels in dem
Kathodenversorgungspfad beziehungsweise Kathodenabgaspfad. Auf diese Weise wird eine gute Trennwirkung und geringe Rückdiffusion von Sauerstoff in die Kathodenräume erzielt. Sofern andere Bauteile in dem Kathodenabgaspfad beziehungsweise Kathodenversorgungspfad vorhanden sind, welche eine gewisse Sperrwirkung erzielen, kann auf gesonderte Stellmittel verzichtet werden. Beispielsweise ist möglich, dass der Verdichter im Kathodenversorgungspfad im Stillstand eine ausreichende Dichtigkeit gewährleistet. In diesem Fall kann auf das zweite Sperrmittel im Kathodenversorgungspfad verzichtet werden. Ist andererseits im Kathodenabgaspfad eine Turbine angeordnet, die eine gewisse Sperrwirkung besitzt, kann auch hier auf ein gesondertes Stellmittel verzichtet werden.
Vorzugsweise wird der Brennstoffzellenstapel vor dem Schritt (a) von einer elektrischen Last, insbesondere einem elektrischen, mit der erzeugten Energie des Brennstoffzellenstapels betriebenen Verbraucher, getrennt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen
Brennstoffzellenstapel, der Anodenräume und Kathodenräume aufweist, sowie eine
Kathodenversorgung mit einem Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines
sauerstoffhaltigen Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume, einen in dem
Kathodenversorgungspfad angeordneten Verdichter und einen Kathodenabgaspfad zur
Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen. Das Brennstoffzellensystem ist eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems auszuführen. Zu diesem Zweck umfasst das Brennstoffzellensystem vorzugsweise eine
Steuerung, die einen entsprechenden Programmalgorithmus zur Ausführung des Verfahrens aufweist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
Figur 2 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung; Figur 3 Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Abschalten des
Brennstoffzellensystems gemäß Figur 1 oder 2 gemäß einer ersten
Ausgestaltung der Erfindung, und
Figur 4 Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Abschalten des
Brennstoffzellensystems gemäß Figur 1 oder 2 gemäß einer ersten
Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 1 1 , von denen jede jeweils einen
Kathodenraum 12 sowie einen Anodenraum 13 aufweist, welche durch eine ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran 14 voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der
Kathoden- und Anodenraum 12, 13 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert (nicht dargestellt). Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine Bipolarplatte angeordnet (ebenfalls nicht dargestellt), welche der Zuführung der
Betriebsmedien in die Kathoden- und Anodenräume 12, 13 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 1 1 herstellt.
Der Brennstoffzellenstapel 10 verfügt über einen Anodeneingang 15 und einen Anodenausgang 16, die mit einer insgesamt nicht dargestellten Anodenversorgung verbunden sind. Dabei umfasst die Anodenversorgung einen Anodenversorgungspfad, welcher einen
Brennstoffspeicher mit dem Anodeneingang 15 verbindet und der Zuführung eines
Anodenbetriebsgases, beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 13 dient. Die
Anodenversorgung umfasst ferner einen Anodenabgaspfad, der mit dem Anodenausgang 16 des Stapels 10 verbunden ist und das Anodenabgas aus den Anodenräumen 13 des
Brennstoffzellenstapels 10 abführt und üblicherweise zumindest teilweise über eine
Rezirkulationsleitung wieder in den Anodenabgaspfad einleitet.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit einem sauerstoffhaltigen Kathodenbetriebsgas, insbesondere Luft, zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 ferner eine
Kathodenversorgung 20 auf. Die Kathodenversorgung 20 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 21 , welcher über einen Kathodeneingang 17 den Kathodenräumen 12 des Brennstoffzellenstapels 10 das
Kathodenbetriebsgas, insbesondere Luft, zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des
Kathodenbetriebsgases ist in dem Kathodenversorgungspfad 21 ein Verdichter 23 angeordnet, der vorzugsweise elektromotorisch betrieben wird. Stromauf des Verdichters 23 ist ein Filter 24 angeordnet, der partikuläre Bestandteile (Staub) zurückhält.
Ein Kathodenabgaspfad 22 der Kathodenversorgung 20 führt das Kathodenabgas (Abluft) aus den Kathodenräumen 12 über einen Kathodenausgang 18 des Brennstoffzellenstapels 10 ab und führt dieses einer optionalen Abgasanlage 25 zu, welche beispielsweise einen
Schalldämpfer enthält. Optional kann, wie hier dargestellt, der Verdichter 23 durch eine Turbine 26 unterstützt werden, welche in dem Kathodenabgaspfad 22 angeordnet ist und über eine nicht dargestellte Welle mit dem Verdichter 23 verbunden ist.
Eine von dem Kathodenversorgungspfad 21 abzweigende Wastegate-Leitung 27 verbindet den Kathodenversorgungspfad 21 mit dem Kathodenabgaspfad 22. Die Wastegate-Leitung 27 dient der Umgehung des Brennstoffzellenstapels 10, wenn das verdichtete Kathodenbetriebsgas beispielsweise in Niedriglastphasen im Brennstoffzellenstapel 10 nicht benötigt wird, der Verdichter 23 andererseits jedoch nicht heruntergefahren werden soll. Optional kann ein Stellmittel 28 in der Wastegate-Leitung 27 angeordnet sein, welches beispielsweise als Klappe oder Regelventil ausgebildet ist. Durch das Stellmittel 28 wird ein die Wastegate-Leitung 27 durchströmender Massenstrom reguliert. Somit kann die Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 bei konstanter Verdichterleistung über das Stellmittel 28 geregelt werden.
Die Kathodenversorgung 20 weist ferner einen Befeuchter 29 auf, welcher der Befeuchtung des Kathodenbetriebsgases dient, um die Polymerelektrolytmembran 14 mit der notwendigen Feuchtigkeit zu versorgen. Bei dem Befeuchter 29 handelt es sich bevorzugt um einen
Membranbefeuchter, der das zu befeuchtende Kathodenbetriebsgas durch eine
wasserdampfpermeable Membran von dem Feuchtgas trennt. Dabei diffundiert Wasserdampf aus dem Feuchtgas über die Membran in das zu befeuchtende Kathodenbetriebsgas. Im vorliegenden Beispiel wird als Feuchtgas das Kathodenabgas des Brennstoffzellenstapels 10 verwendet, das aufgrund des Produktwassers der Brennstoffzellenreaktion einen
vergleichsweise hohen Wasserdampfgehalt aufweist.
Das in Figur 1 dargestellte System umfasst ferner ein in dem Kathodenversorgungspfad 21 angeordnetes erstes Stellmittel 30 sowie ein im Kathodenabgaspfad 22 angeordnetes zweites Stellmittel 31 . In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel ist das erste Stellmittel 30 stromab des Befeuchters 29 und stromauf des Kathodeneingangs 17 des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet, während das zweite Stellmittel 31 hinter dem Kathodenausgang 18 und stromauf des Befeuchters 29 positioniert ist.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Kathodenversorgung 20 sind in der vereinfachten Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann die Kathodenversorgung 20 einen Wärmetauscher aufweisen, welcher der Vorerwärmung der durch den Verdichter 23 komprimierten Luft dient. Der Wärmetauscher wird üblicherweise durch die aus den
Kathodenräumen 12 stammende warme Abluft als Wärmeträger durchströmt. Dabei kann der Wärmetauscher sowohl seitens des Kathodenversorgungspfads 21 als auch des
Kathodenabgaspfads 22 durch eine entsprechende Bypassleitung umgangen werden. Es kann ferner eine Turbinenbypassleitung seitens des Kathodenabgaspfads 22 vorgesehen sein, welche die Turbine 26 umgeht. Zudem sind Systeme ohne Turbine 26 bekannt. Ferner kann in dem Kathodenabgaspfad 22 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der
Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 gemäß vorliegender Erfindung. Übereinstimmende Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 bezeichnet und werden nicht nochmals erläutert. Das in Figur 2 dargestellte System unterscheidet sich von dem aus Figur 1 in der Position der Stellmittel 30 und 31 . Hier ist das erste Stellmittel 30 zwischen dem Verdichter 23 und dem Befeuchter 29 angeordnet und das zweite Stellmittel 31 zwischen dem Befeuchter 29 und der Turbine 26. Insbesondere sind die beiden Stellmittel 30 und 31 zwischen der Wastgate-Leitung 27 und dem Befeuchter 29 positioniert.
Die Einbauorte der Stellmittel 30, 31 gemäß Figur 1 und gemäß Figur 2 können auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann das erste Stellmittel 30 stromab des Befeuchters 29 und stromauf des Kathodeneingangs 17 angeordnet sein, während das zweite Stellmittel 31 stromab des Befeuchters 29 und stromauf der Wastgate-Leitung 27 positioniert sein kann. Umgekehrt kann die Anordnung des ersten Stellmittels 30 in dem
Kathodenversorgungspfad 21 stromab des Verdichters 23 und stromauf des Befeuchters 29 vorgesehen sein und die des zweiten Stellmittels 31 im Kathodenabgaspfad 22 stromab des Kathodenausgangs 18 und stromauf des Befeuchters 29. Ferner kann auf die Anordnung des ersten und/oder zweiten Stellmittels 30, 31 verzichtet werden, wenn in der Kathodenversorgungs- beziehungsweise -abgasleitung 21
beziehungsweise 22 Komponenten verbaut sind, die selbst eine gewisse Absperrwirkung gegen die Umgebung aufweisen. Wenn beispielsweise der Verdichter 23 eine ausreichende
Sperrwirkung besitzt, kann das erste Stellmittel 30 entfallen. Weist die Turbine 26 eine ausreichende Sperrwirkung auf, kann auf das zweite Stellmittel 31 verzichtet werden.
Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 nach Figur 1 oder Figur 2 wird das
Anodenbetriebsgas, insbesondere Wasserstoff, über die nicht dargestellte Anodenversorgung dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt. Gleichzeitig wird über die Kathodenversorgung 20 durch den Betrieb des Verdichters 23 das Kathodenbetriebsgas, insbesondere Luft, angesaugt, verdichtet und dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt. Zum Abschalten des
Brennstoffzellenstapels 10 wird ein Verfahren gemäß vorliegender Erfindung angewandt, das in Ausführungsbeispielen anhand der folgenden Figuren 3 und 4 erläutert wird.
Gemäß Figur 3 wird in Schritt S1 (während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems 100) das Vorliegen einer Abschaltbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 festgestellt.
Sodann erfolgt in Schritt S2 die Trennung des Brennstoffzellenstapels 10 von einer elektrischen Last, das heißt von einem elektrischen Verbraucher, der durch die erzeugte elektrische Energie des Stapels 10 betrieben wird.
In dem nachfolgenden Schritt S3 wird das in der Kathodenabgasleitung 22 angeordnete zweite Stellmittel 31 geschlossen. Gleichzeitig bleibt das erste Stellmittel 30 in dem
Kathodenversorgungspfad 21 geöffnet und das Wastgate-Stellmittel 28 wird oder bleibt geöffnet. Der Verdichter 23 wird weiterhin betrieben und fördert das komprimierte
Kathodenbetriebsmittel über die geöffnete Wastgate-Leitung 27 in den Kathodenabgaspfad 22 ab. Auf diese Weise wird der Betriebsdruck in den Kathodenräumen 12 des
Brennstoffzellenstapels 10 aufrechterhalten, ohne dass eine Durchströmung der
Kathodenräume 12 stattfindet. Ab diesem Zeitpunkt findet somit ein Verbrauch von Sauerstoff in dem in den Kathodenräumen 12 vorliegenden Kathodenbetriebsgas statt, da dieser weiterhin über die Brennstoffzellenreaktion, das heißt über Reaktionen mit den aus den Anodenräumen 13 über die Membran 14 diffundierenden Protonen, abreagiert. Da keine Durchströmung durch frisches Kathodenbetriebsgas in die Kathodenräume 12 erfolgt, beginnt die Konzentration von Sauerstoff zu sinken. Im nächsten Schritt S4 wird auch das Stellmittel 30 in dem Kathodenversorgungspfad 21 geschlossen. Jetzt sind die Kathodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 von der
Umgebung getrennt, wobei jedoch das hohe Druckniveau von beispielsweise 1 ,5 bis 2,5 bar aufrechterhalten bleibt. Anschließend wird in Schritt S5 der Verdichter 23 abgeschaltet.
Hierdurch fällt das Druckniveau in dem Kathodenabgaspfad 22 stromab des Stellmittels 31 sowie in der Wastgate-Leitung 27 auf Umgebungsdruck ab. Gleichzeitig bleiben jedoch die Kathodenräume 12 auf hohem Druckniveau.
Im anschließenden Abfrageschritt S6 erfolgt eine Überprüfung, ob ein gewünschtes niedriges Sauerstoff niveau in den Kathodenräumen 12 erreicht ist. Beispielsweise kann das Verstreichen einer vorbestimmten Zeit seit Schließen des Stellmittels 31 in Schritt S3 mittels eines entsprechenden Zeitzählers überprüft werden. Alternativ wird die Restsauerstoffkonzentration in den Kathodenräumen 12 mittels eines geeigneten Gassensors gemessen. Besonders bevorzugt wird jedoch die Zellspannung des Brennstoffzellenstapels 10 überwacht und mit einem unteren Schwellenwert verglichen. Wird in Schritt S6 eine zu hohe
Sauerstoffkonzentration ermittelt, beispielsweise indem die erfasste Zellspannung noch immer oberhalb des Schwellenwertes liegt, geht das Verfahren zurück, um nach einer Verzögerung wieder erneut zur Abfrage S6 zu gelangen. Wird in Schritt S6 hingegen eine ausreichend niedrige Sauerstoffkonzentration in den Kathodenräumen 12 festgestellt, geht das Verfahren zu Schritt S7 weiter.
In Schritt S7 werden das erste und das zweite Stellmittel 30 und 31 gesteuert geöffnet.
Infolgedessen strömt das sauerstoffarme Kathodengas über den Kathodenversorgungspfad 21 und den Kathodenabgaspfad 22 in Richtung des Befeuchters 29 oder im Falle von Figur 2 durch den Befeuchter 29. Durch die Expansion des sauerstoffarmen Kathodengases wird die Sauerstoffkonzentration pro Volumeneinheit gesenkt. Gleichzeitig findet über die Flutung des Leitungssystems der Kathodenversorgung 20 eine Ausdehnung des inertisierten Gasvolumens statt. Die Stellmittel 30, 31 bleiben vorzugsweise solange geöffnet, bis das sauerstoffverarmte Gas zumindest bis zur Einbauposition der Stellmittel 30, 31 geströmt ist. Optional kann die Dauer der Öffnung der Stellmittel 30 und 31 mittels Erfassung des in den Kathodenräumen 12 vorliegenden Drucks überwacht werden, wobei ein Enddruck vorgegeben werden kann, der zwischen dem Anfangsdruck und Umgebungsdruck liegt, vorzugsweise bei einem geringen Überdruck.
Schließlich werden in Schritt S8 die Stellmittel 30 und 31 wieder geschlossen. Auf diese Weise werden die Kathodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 wieder von der Umgebung getrennt, wobei das in den Kathodenräumen 12 vorliegende geringe Druckniveau, beispielsweise Umgebungsdruck oder geringer Überdruck konserviert wird. Mit Schritt S8 ist der Abschaltprozess beendet.
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abschalten eines
Brennstoffzellensystems ist in Figur 4 dargestellt. Die Schritte S1 bis S3 stimmen mit denen aus Figur 3 überein.
Das Verfahren beginnt ebenso wie das in Figur 3 dargestellte in Schritt S1 mit der Feststellung einer Abschaltbedingung und geht dann zu Schritt S2 über, um die elektrische Last von dem Brennstoffzellenstapel 10 zu trennen. In S3 wird dann das in dem Kathodenabgaspfad 22 angeordnete Stellmittel 31 geschlossen, während der Verdichter 23 das komprimierte
Versorgungsgas weiterhin über die geöffnete Wastgate-Leitung 27 fördert und gleichzeitig den Druck in den Kathodenräumen 12 aufrechterhält, ohne diese jedoch zu durchströmen.
Der mit Schritt S3 eingestellte Zustand (Betrieb des Verdichters 23 bei geschlossenem
Stellmittel 31 ) wird solange aufrechterhalten, bis ein gewünschtes niedriges Sauerstoffniveau in den Kathodenräumen 12 erreicht ist. Dieses wird in Schritt S4 mit einer der Methoden, die im Zusammenhang mit Schritt S6 der Figur 3 erläutert wurden, überprüft. Wird in S4 festgestellt, dass keine ausreichend niedrige Sauerstoffkonzentration in den Kathodenräumen 12 des Brennstoffzellenstapels 10 erreicht wurde, geht das Verfahren über eine Verzögerungsstufe zurück, um die Abfrage S4 erneut zu durchlaufen. Wird in S4 hingegen eine ausreichend niedrige Sauerstoffkonzentration festgestellt, beispielsweise das Erreichen oder Unterschreiten eines unteren Schwellenwertes für die Zellspannung, so geht das Verfahren zu Schritt S5 weiter.
In Schritt S5 wird der Verdichter 23 abgeschaltet. Infolgedessen strömt ein geringer Teil des sauerstoffarmen Gases aus den Kathodenräumen 12 zurück in Richtung des Stellmittels 30 und des Verdichters 23. Es findet somit eine Expansion des sauerstoffarmen Gases über den Kathodenversorgungspfad 21 statt.
Anschließend wird in Schritt S6 das Stellmittel 30 im Kathodenversorgungspfad 21
geschlossen, um die Kathodenräume 12 bei geringem Druckniveau von der Umgebung zu trennen. Bei beiden, anhand der Figuren 3 und 4 beschriebenen Strategien zum Abschalten des Brennstoffzellensystems 100 wird erreicht, dass die Kathodenräume 12 nicht nur im aktiven Bereich sondern auch in ihren Versorgungsbereichen des Brennstoffzellenstapels 10 sowie darüber hinaus auch im Bereich des Leitungssystems der Kathodenversorgung 20 mit einem durch Sauerstoffverarmung inertisiertem Gasgemisch beaufschlagt werden. Nach dem
Abschalten des Brennstoffzellensystems 100 ist somit der Brennstoffzellenstapel 10 für einen langen Zeitraum geschützt, ehe aufgrund von Leckagen Sauerstoff den Brennstoffzellenstapel 10 erreichen kann. Bei seinem Wiederstart wird auf diese Weise ein Luft- Luft-Start auch nach langen Abstellzeiten vermieden. Im Ergebnis wird die Lebensdauer des Systems verlängert.
Bezugszeichenliste Brennstoffzellensystem Brennstoffzellenstapel
Einzelzellen
Kathodenraum
Anodenraum
Polymerelektrolytmembran
Anodeneingang
Anodenausgang
Kathodeneingang
Kathodenausgang Kathodenversorgung
Kathodenversorgungspfad
Kathodenabgaspfad
Verdichter
Filter
Abgasanlage
Turbine
Wastgate-Leitung
Wastegate-Stellmittel
Befeuchter
Stellmittel
Stellmittel

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (100), umfassend einen
Brennstoffzellenstapel (10), der Kathodenräume (12) und Anodenräume (13) aufweist, sowie eine Kathodenversorgung (20) mit einem Kathodenversorgungspfad (21 ) zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume (12), einen in dem Kathodenversorgungspfad (21 ) angeordneten Verdichter (23) und einem Kathodenabgaspfad (22) zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen (12), wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
(a) Halten der Kathodenräume (12) unter Überdruck unter Unterbindung einer
Durchströmung der Kathodenräume (12) mit Kathodenbetriebsgas unter
Sauerstoffverarmung des in den Kathodenräumen (12) vorliegenden
Kathodenbetriebsgases;
(b) Expandieren des in den Kathodenräumen (12) vorliegenden und sauerstoffverarmten Kathodenbetriebsgases über den Kathodenversorgungspfad (31 ) und/oder den Kathodenabgaspfad (22), und
(c) Trennen der Kathodenräume (12) von der Umgebung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (a) ein Trennen der Kathodenräume (12) von der Umgebung umfasst, insbesondere ein Schließen eines in dem Kathodenversorgungspfad (21 ) angeordneten ersten Stellmittels (30) und/oder eines in dem Kathodenabgaspfad (22) angeordneten zweiten Stellmittels (31 ).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (a) ein (a1 ) Schließen des in dem Kathodenabgaspfad (22) angeordneten zweiten Stellmittels (31 ) bei laufendem Verdichter (23) und anschließend ein (a2) Schließen des in dem Kathodenversorgungspfad (21 ) angeordneten ersten Stellmittels (30) umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung (20) eine Wastegate-Leitung (27) umfasst, welche stromab des Verdichters (23) von dem Kathodenversorgungspfad (21 ) abzweigt und in den Kathodenabgaspfad (22) mündet, wobei die Wastegate-Leitung (27) während des laufenden Verdichters (23) in Schritt (a1 ) geöffnet ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das (b) Expandieren des in den Kathodenräumen (12) vorliegenden sauerstoffverarmten Kathodenbetriebsgases durch Öffnen eines in dem Kathodenversorgungspfad (21 ) angeordneten ersten Stellmittels (30) und/oder eines in dem Kathodenabgaspfad (22) angeordneten zweiten Stellmittels (31 ) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen der Kathodenräume (12) von der Umgebung in Schritt (c) durch Schließen eines in dem Kathodenversorgungspfad (21 ) angeordneten ersten Stellmittels (30) und/oder eines in dem Kathodenabgaspfad (22) angeordneten zweiten Stellmittels (31 ) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffverarmung des in den Kathodenräumen vorliegenden Kathodenbetriebsgases in Schritt (a) durch Reaktion von Sauerstoff mit Brennstoff aus den Anodenräumen (13) oder mit in die Kathodenräume (12) eingeleitetem Brennstoff erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schritts (a) eine Brennstoffatmosphäre in den Anodenräumen des
Brennstoffzellenstapels (10) aufrechterhalten wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt (a) der Brennstoffzellenstapel (10) von einer elektrischen Last getrennt wird.
10. Brennstoffzellensystem (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10), der
Anodenräume (13) und Kathodenräume (12) aufweist, sowie eine Kathodenversorgung (20) mit einem Kathodenversorgungspfad (21 ) zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen
Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume (12), einen in dem
Kathodenversorgungspfad (21 ) angeordneten Verdichter (23) und einem
Kathodenabgaspfad (22) zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
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